混合无线传感器网络中基于覆盖洞修补的移动传感器分派

摘要

网络覆盖是WSN（Wireless Sensor Networks）中服务质量研究的一项重要内容，其核心目标是网络监控区域上的每一个点至少被一个无线传感器覆盖。然而在现实环境中，无线传感器可能因能量耗尽或者环境变化等问题而发生失效，从而导致网络中出现覆盖洞。当WSN中出现覆盖洞时，网络的服务质量无法达到要求。覆盖洞修补的研究主要针对这一问题实施WSN的覆盖恢复。
　　在混合无线传感器网络中，移动传感器的再定位是覆盖洞修补研究的一项重要分支。它通过对网络中的移动传感器进行分派，实现移动传感器向覆盖洞所在位置的移动，从而实施覆盖洞修补。然而，现有算法在时效性覆盖洞修补、串联移动机制下的移动传感器分派、移动传感器的移动能量消耗考察和覆盖洞在线修补等方面均存在不足。
　　基于此，本文对上述四个方面的移动传感器分派进行了深入研究。首先，通过网格模型实现了修补时效性覆盖洞的移动传感器分派。而后，通过移动传感器的空位分离实现了串联移动机制下移动传感器的分布式分派。接着，通过两种单目标算法的融合使用实现了移动传感器在再定位过程中移动能量消耗的优化。最后，通过单元分隔、嵌入和在线匹配实现了移动传感器的在线分派。
　　在上述研究中，本文取得了以下创新性成果：
　　1.提出了基于网格的时效性覆盖洞修补模型，设计了基于时效性覆盖洞修补的移动传感器分派协议。在现有算法中，当网络内同时出现多个时效性覆盖洞时容易出现移动传感器的分派冲突。针对这一问题，提出了基于网格的时效性覆盖洞修补模型。模型通过网格的划分区分网络的监控区域上恢复延迟不同的覆盖洞。在该模型上运行的分布式多移动传感器调度协议可解决移动传感器分派冲突问题，实现时效性覆盖洞的修补。
　　2.提出了一种新的串联移动机制下的移动传感器分派算法。在现有算法中，该机制下的移动传感器分派同样存在分派冲突，且因移动传感器无法同时开始移动容易造成问题的加剧。本文提出，根据在串联移动中是否生成新的覆盖洞可将移动传感器分为S型和E型两类，后者的移动会生成新覆盖洞。通过将E型移动传感器和其可能生成的覆盖洞分离，可使用直接移动机制下的分派算法对串联移动机制下的移动传感器进行无冲突的同时分派。基于这一结论，本文提出了一种串联移动机制下的移动传感器分布式分派算法。当移动传感器的最大移动距离受限时，该分布式算法能够实现更高的覆盖洞修补率。
　　3.提出了双目标的移动传感器分派。现有算法缺乏对其输出分派中全部和单个移动传感器移动能量消耗的同时考察。针对这一问题，本文提出一种双目标的集中式最优算法进行移动传感器分派。通过对两个单目标最优算法的融合，该算法最小化全部移动传感器移动能量消耗总和并同时最小化移动传感器的最大移动能量消耗，实现了覆盖洞修补过程中对整体和单个移动传感器的移动能量消耗控制。
　　4.提出了实施覆盖洞在线修补的移动传感器分派算法。现有算法难以为逐个出现的覆盖洞分派移动传感器实施修补。本文提出将监控区域分隔为大小相同的单元，而后将它们嵌入分层分离树。基于这棵分层分离树，提出了一种双目标的移动传感器集中式分派算法实施覆盖洞的在线修补。同时，根据集中式算法的原理，将单元的层流族划分和单元的在线匹配相结合，提出一种简单分布式在线算法实施覆盖洞的分布式在线修补。移动传感器的在线分派算法可对网络内间隔性出现的覆盖洞进行修补，有效实施网络覆盖的维护。

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缩略语表

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究工作与创新点

1.4 章节安排

第二章 无线传感器网络中覆盖洞修补研究的基础

2.1 无线传感器

2.2 无线传感器网络中的覆盖洞修补

2.3 无线传感器网络中的定位技术

2.4 其它移动传感器分派算法

2.5 混合无线传感器网络模型

2.6 小结

第三章 时效性覆盖洞修补中的移动传感器分派

3.1 时效性覆盖洞

3.2 相关工作

3.3 分布式移动传感器分派

3.4 协议分析

3.5 仿真实验

3.6 小结

第四章 串联移动机制下的移动传感器分派

4.1 移动传感器的串联移动

4.2 相关工作

4.3 问题定义

4.4 集中式算法

4.5 分布式算法

4.6 仿真实验

4.7 小结

第五章 双目标及覆盖洞在线修补中的移动传感器分派

5.1 双目标的离线移动传感器分派

5.2 覆盖洞的在线修补

5.3 相关工作

5.4 监控区域嵌入

5.5 分层分离树上的离线匹配

5.6 双目标的在线移动传感器分派

5.7 在线的移动传感器分布式分派

5.8 仿真实验

5.9 小结

第六章 全文总结和未来工作展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果